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【试读】CPU自制入门.pdf

【试读】CPU自制入门

richthoffen
2014-01-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《【试读】CPU自制入门pdf》,可适用于高等教育领域

译者序接触IT行业十多年来我的书架上始终缺少一本书。我有各种语言的经典书籍和实用手册它们帮助我使用最合适的工具解决问题。我还有一些操作系统、编译器和软件架构方面的书籍它们指导我写出更高效的代码。然而对于操作系统之下的CPU内部世界我的认识依然停留在大学时×处理器的课堂上。那门课让我学会了如何使用CPU而如何设计和实现CPU却始终是我知识体系中缺失的最底层的一环。《CPU自制入门》正是我一直寻找的那本书。本书介绍了计算机系统最物理、最底层的个部分:CPU设计制作、电路板设计制造以及汇编编程。作者们利用FPGA芯片开启了一个崭新的自制CPU的世界。将如此广泛的技术内容以实践的方式结成一册该书可谓首屈一指。更让我印象深刻的是本书的阅读门槛非常低。几乎所有必要的基础知识书中都有介绍如数字电路设计、Verilog语言甚至还包括电路板CAD软件的使用等等。其中任何一个内容展开讨论都需要几本书的篇幅然而本书作者们却可以依靠丰富的经验以最精简的文字将最核心的知识汇集到一本书中使各种知识背景的读者都可以方便地阅读。近年来随着摩尔定律接近极限计算机系统很难再像从前那样单纯依靠芯片制程的进步获取速度提升。而为了设计更加高速的计算机系统人们越来越多地将目光集中到了定制硬件技术上。同时FPGA的发展和普及大大降低了定制硬件的开发难度和成本。通过在FPGA上实现定制硬件加速器将应用性能提升几十到几百倍的案例在学术界已经屡见不鲜。而苹果、微软、谷歌等大型IT企业目前也已纷纷开始或计划将硬件加速技术应用到电子产品和服务器当中。在可预见的未来具备软硬结合设计能力的工程师将会更加具有竞争力。《CPU自制入门》是为读者打开硬件设计大门的理想教材。通过阅读本书软件工程师能够更加了解硬件与底层开发出高效代码。硬件工程师则可以在本书基础上设计定制硬件进而开发高性能计算机系统。相信所有读者都可以在本书的阅读过程中受益匪浅零距离地体验自制计算机系统的乐趣。赵谦(JonsonXP)年月◆MicrosoftWindows是美国MicrosoftCorporation的注册商标。◆另外本文中记载的商品名、公司名等皆为各相关企业的商标或注册商标。本书以提供知识为目的请在明确判断、自负责任的基础上运用本书。使用本书信息所产生的后果出版社与作者们概不负责。本书内容以著作(日文版)完成时间年月为准在您阅读本书时实际情况可能有所改变。如果没有特别声明本书所用软件的版本全部为年月的版本。这些软件如有升级可能会出现与本书所述功能或界面不符的情况。购买本书前请务必确认软件的版本号。请在接受以上声明的条件下阅读本书。如果您未阅读这些声明就贸然向出版社或作者们咨询上述相关问题我们不会答复。望周知请多多包涵。声明作者序本书从零开始设计CPU通过这一过程旨在让读者理解CPU的内部构造并向读者传递设计CPU的乐趣。虽然本书的主要目标是CPU设计但除了CPU我们还要设计控制相关设备的IO、总线等实际上是SoC设计。本书不但会讲解CPU设计还涉及电路板设计、软件设计等计算机系统的全部要素。从硬件到软件我们要全部从零开始设计、制作最终上机调试。通过将CPU设计、电路板设计以及软件设计的知识系统地整理到一本书中我们可以更深入地了解计算机体系的各部分以及它们的关联。本书的自制CPU是在FPGA上实现的。近年来高性能FPGA的价格越来越便宜个人用户也可以充分体验FPGA的乐趣。设计过程中我们使用免费工具软件挑选读者方便购买的零件极力降低制作成本。CPU、IO以及总线等相关HDL代码和软件程序代码都可以从技术评论社(http:gihyojp)的本书支持页面下载。不过主板我们不随书赠送而是给出成品供您参考。这样读者就可以根据自己的兴趣制作自己想做的部分。本书的目标读者主要是志在成为工程师的学生因此我们尽量减少阅读时所需背景知识降低难度以便更多人可以阅读。本书与其他技术书籍的最大不同在于我们更强调动手实践激发读者动手制作的乐趣。从使用FPGA设计、制作CPU到制作电路板以及开发软件这些全部都能亲自动手实现。这是本书的主旨所在。比起在PC上编一点实验小程序简单地在杂志附送的单片机上运行本书的实践更让人有成就感。本书虽极力减少阅读所需的背景知识但逻辑代数、编程语言、计算机架构等基础知识还是要必备的。关于这些知识本书虽然会做些介绍但因篇幅所限无法一一系统讲解。本书主要着眼于“动手制作”基础知识讲解不到位之处敬请谅解。我们也会在专栏部分介绍一些书籍它们有助于理解本书的背景知识。本书适合大学、大专院校信息、电子专业的学生阅读。将来想学习这类专业的高中生或者对计算机感兴趣的读者都可以阅读。虽然本书算不上一看就懂但只要带着兴趣阅读就可以充分理解。年月vi本书的阅读方法本书分为章。第章以介绍CPU为主同时介绍如何制作存储程序与数据的内存、与外部进行输入输出的IO以及将这些模块连接起来的总线这些模块可以组合成一个简单的计算机系统。第章进行电路板的设计和制作好让这个计算机系统运转起来。在第章中我们为这个计算机系统编写程序并上机测试。本书最大的特点是可以自己制作整个计算机系统。这章彼此独立读者可以根据自己的兴趣选择阅读。CPUROMAZPR片上系统IO定时器UARTGPIO总线编写程序转到第章设计电路板转到第章编写CPU逻辑电路转到第章本书的阅读方法vii下面详细介绍本书这章。第章为CPU逻辑设计第章为电路板设计第章为软件设计。◆◆◆第章的CPU设计中要设计CPU、内存、IO以及连接这些模块的总线我们使用硬件描述语言Verilog实现最终将这些模块组合形成简单的计算机系统。我们首先讲解计算机、数字电路、VerilogHDL的基础。然后按照总线、内存、CPU、IO的顺序制作计算机。另外还会介绍VerilogHDL的仿真环境。第章的电路板设计是为了让我们能在实际的硬件上调试制作的CPU与程序。我们使用一种叫FPGA的芯片来制作CPU它的特点是可以对其内部构造进行编程重构。大体制作流程为挑选必要的元件、制作电路图和布局图然后制作印刷电路板。电路板制作部分我们会介绍感光电路板制作法和外包给制板公司制造两种方法。最后将元件组装到制作完成的电路板上进行功能检查。第章的软件设计中我们为所设计的CPU开发程序并在做好的电路板上调试。首先对开发环境进行说明介绍所需的开发工具以及各个工具的安装、使用方法然后讲解编程。我们运用实例程序讲解CPU、IO的使用方法并在做好的电路板上运行程序。◆◆◆本书的最终成果是在实际的电路板上运行演示程序。本书的重点不是“可以做什么”而是“亲手制作”因此并没有设计很复杂的演示程序。如果只是想实现复杂功能使用市面上销售的单片机更容易一些。但是从自己动手制作计算机这方面讲仅仅在单片机上运行程序是无法获得这种满足感的。对于正在使用单片机电路板进行电子制作的读者来说阅读本书后一定可以更深入地理解逻辑设计、电路板设计和程序设计。我们经常会遇到使用现成通用元件无法实现的功能届时再回顾一下本书一定会对你有所帮助。第章 CPU的设计与实现 序 计算机系统什么是计算机什么是CPU专栏CPU的位宽什么是内存什么是IO专栏字节序什么是总线专栏总线的优缺点小结专栏计算机相关书籍 数字电路基础什么是数字电路数值表达有符号二进制数专栏比特和字节专栏K字节有多大MOSFET的结构逻辑运算CMOS基本逻辑门电路存储元件目录CONTENTS目录ix专栏建立时间与保持时间组合电路和时序电路时钟同步设计小结专栏数字电路相关书籍 VerilogHDL语言什么是VerilogHDL电路描述专栏默认网络类型专栏组合电路描述中锁存器的推定与Don’tcare专栏正逻辑与负逻辑电路仿真专栏同步电路中信号变化的时序VerilogHDL的仿真环境小结专栏VerilogHDL相关书籍 系统蓝图目标系统整体介绍关于本章中的代码专栏字编址与字节位移 总线的设计与实现总线的设计总线的实现小结 存储器的设计与实现FPGA的RAM区域ROM的设计与实现小结专栏存储器相关书籍目录x AZProcessor的设计与实现关于CPU专栏CPI和MIPS值AZProcessor的设计专栏指令集架构与微架构AZProcessor的实现小结专栏计算机架构相关书籍 IO的设计与实现定时器UART专栏UART实例GPIO小结专栏IO相关书籍 AZPRSoC整体连接各模块的连接时钟模块的实现顶层模块的实现小结 AZPRSoC的仿真仿真模型的编写Testbench的编写执行仿真小结 本章总结目录xi第章 电路板的设计与制作 序 电路板规格电路板名称电路板的构成电路板尺寸电路板层数FPGA选型外围电路的选定专栏关于FPGA专栏关于JTAG 元件选型元件选型标准元件选型元件的选购 电路设计下载规格书配置电路外围电路电源电路电路板设计环境使用Eagle设计电路图专栏关于ULP专栏Eagle使用方法相关的书籍说明书完成的电路图 布局设计电路板设计约束条件及布线策略FPGA板的布局设计目录xii电源板的布局设计使用Eagle布局完成的布局 制作元件库制作Symbol制作Package制作Device 电路板D模型软件使用说明准备D模型库专栏关于D模型库的管理制作电路板模型 制作感光板电路板整体流程制作光罩粘合光罩曝光显像蚀刻阻焊剂开孔在背面安装VPort接头时的处理制作通孔飞线 使用电路板制造服务电路板制造服务DRC输出Gerber数据检查Gerber数据专栏执行DFM检查的方法目录xiii专栏阻焊层遮罩的印刷设置向P板com公司下单制板专栏拼板数据的准备向OLIMEX公司下单制板 组装电路板电源板组装FPGA板 功能测试识别FPGA

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